(57)【要約】【課題】渦電流を伴うことなく、ＮＭＲプローブ内の磁場勾配コイルの熱を安価に効率よく外界に逃がすことのできるＮＭＲプローブおよびＮＭＲ装置を提供する。【解決手段】排熱が不十分なボビンに設けられた磁場勾配コイルの熱を外界に逃がすための放熱板を備えたＮＭＲプローブであって、前記放熱板は、絶縁性の被膜で互いに絶縁された複数の金属線を前記ＮＭＲプローブの軸方向に揃えて板状に配列させて成る。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排熱が不十分なボビンに設けられた磁場勾配コイルの熱を外界に逃がすための放熱板を備えたＮＭＲプローブであって、
前記放熱板は、絶縁性の被膜で互いに絶縁された複数の金属線を前記ＮＭＲプローブの軸方向に揃えて板状に配列させて成ることを特徴とするＮＭＲプローブ。
【請求項２】
前記放熱板は、前記磁場勾配コイルに接触していることを特徴とする請求項１記載のＮＭＲプローブ。
【請求項３】
前記放熱板は、前記ボビンに埋設されていることを特徴とする請求項１または２記載のＮＭＲプローブ。
【請求項４】
請求項１記載のＮＭＲプローブを備えたことを特徴とするＮＭＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＭＲプローブおよびＮＭＲ装置に関し、特に、磁場勾配コイルの放熱性を高めたＮＭＲプローブおよびＮＭＲ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＮＭＲ装置は、試料に強力な静磁場を印加して、試料中の核スピンを持った原子核の磁気モーメントに静磁場方向を軸とする歳差運動を惹起させた上で、静磁場方向に直交する向きの高周波磁場を印加して、原子核の磁気モーメントの歳差運動を励起し、その後、原子核の磁気モーメントの歳差運動が励起状態から基底状態に戻る際に放出されるＮＭＲ信号を、試料に固有な周波数を持った高周波磁界として観測する分析装置である。
【０００３】
従来のＮＭＲプローブと、静磁場を発生する超伝導磁石との位置関係を、図１に示す。図中、１は超伝導磁石である。超伝導磁石１の内部には、超伝導線により、図示しない主コイルが巻回されている。主コイルは、通常、液体ヘリウム等を蓄えることができる図示しない断熱容器中に置かれ、極低温に冷却されている。
【０００４】
ＮＭＲプローブ２は、このような超伝導磁石１の外側に配置される鍔状のベース部と、超伝導磁石１の内側に挿入される筒状部とで構成され、筒状部は、通常、この超伝導磁石１の中心軸に沿って貫通された筒状の室温ボア３の内部に向けて、下側の開口部から上方向に向けて挿入される。
【０００５】
ＮＭＲプローブ２の測定部外周には、超伝導磁石１が発生する強い静磁場の歪みを補正し、均一度の高い静磁場に成形するシムコイルを巻回したシムボビン（シム型枠）４が設けられている。シムボビン４は、超伝導磁石１の室温ボア３内に挿入された室温シム５の先端に配置される。室温シム５は、ＮＭＲプローブ２の外周を取り囲むようにして、超伝導磁石１に設けられた室温ボア３の下側の開口部から上方向に向けて、ＮＭＲプローブ２と同軸状に挿入されている。
【０００６】
図２は、ＮＭＲプローブを拡大した図である。図中、６は、試料管に入ったＮＭＲ試料である。試料６を取り囲むようにして、ＮＭＲプローブ先端の検出コイル部７に、検出コイル８と磁場勾配（ＦＧ）コイル９が設置されている。検出コイル部７の下方は、ＮＭＲ周波数に対する同調コイルを内蔵した同調回路部１０になっていて、検出コイル部７と同調回路部１０の外側は、金属製のプローブカバー１１で頑丈に保護されている。
【０００７】
ＮＭＲ信号を測定する際には、検出コイル８からパルス状の高周波磁場が試料６に印加されると同時に、ＦＧコイル９からは、パルス状の勾配磁場が試料６に印加される。高周波磁場と勾配磁場を印加後、試料６から放出されるＮＭＲ信号を、所定のタイミングで、検出コイル８により検出する。検出されたＮＭＲ信号は、同調回路部１０に送られ、同調回路部１０に設けられた前置増幅器によって増幅されて、ＮＭＲプローブの外部に取り出される。
【０００８】
ＦＧコイル９は、通常、非金属製の内ボビン１２と非金属製の外ボビン１３に巻回されて、図３のような２重コイルで構成される。これらの２重コイルは、主に、内側コイルで測定に必要な勾配磁場を発生させ、外側コイルでプローブカバー１１などの周辺金属に流れる渦電流による不要磁場をキャンセルしている。図３は、Ｚ勾配コイルの例である。Ｘ、Ｙ勾配コイルは、フレキシブルプリント基板で構成される場合もある。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５５０８６１３号公報。
【００１０】
【特許文献２】米国特許第５２８９１５１号公報。
【００１１】
【特許文献３】特開２００３−６１９３０号公報。
【００１２】
【特許文献４】特開平９−５１８８８号公報。
【００１３】
【特許文献５】特開平６−９０９２４号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、ＮＭＲ測定時、上記ＦＧコイル９で勾配磁場を発生させる際には、ＦＧコイルに１０〜１００Ａのパルス電流を流している。このとき、ＦＧコイル９に、多量の熱が発生する。この熱は、試料を加熱したり、試料温度の安定制御を乱したりするという問題を引き起こすばかりでなく、場合によってはコイルの焼損を引き起こすこともある。
【００１５】
これを防止するために、ＦＧコイル９の発熱量に応じて、水冷、空冷等の強制冷却を実施するのであるが、水冷では、ＮＭＲプローブの構造が複雑になり、設計、制作に大きな負担となり、空冷では、所望の冷却効果が得られない場合が多い。あるいは、ＮＭＲプローブの内部空間が狭すぎて、空冷用配管すら設置困難な場合もあり、強制冷却をあきらめて、自然冷却に委ねざるを得ない場合も多い。
【００１６】
放熱経路について考えると、円周方向には、線材が金属であるため熱はよく伝わるが、円筒軸方向には、線材の皮膜、もしくは非金属製ボビンを通して熱が伝わるため、円周方向に比較すると熱の伝わりは悪い。
【００１７】
ＦＧコイル９は、飛び飛びに巻回される場合が多く、実質的には、ボビンを通しての熱伝導が支配的となり、放熱効率はきわめて悪くなっている。ボビンをアルミなどの熱伝導性の高い金属にすれば、当然、冷却効率の向上が望めるが、反面、パルス勾配磁場に誘導されて渦電流を発生してしまい、パルス勾配磁場を発生するというＦＧコイル９の機能が果たせなくなる。すなわち、パルス勾配磁場の立ち上がり、立ち下がりのきわめて悪い状態となる。また、ボビンを耐熱性、熱伝導性に優れた窒化アルミなどのセラミックスで制作することも可能ではあるが、あまりに高価に成り過ぎる。
【００１８】
さらに、近年使用されるようになってきた極低温プローブでは、図２のプローブ内部を真空に引き、検出コイル８、ＦＧコイル９、同調回路部１０を１０〜２０Ｋの極低温に冷却する。この場合には、水冷、空冷ともに不可能で、温度上昇が許容範囲に入るように出力磁場を制限して使用する他はない。
【００１９】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、渦電流を伴うことなく、ＮＭＲプローブ内のＦＧコイルの熱を安価に効率よく外界に逃がすことのできるＮＭＲプローブおよびＮＭＲ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この目的を達成するため、本発明にかかるＮＭＲプローブは、排熱が不十分なボビンに設けられたＦＧコイルの熱を外界に逃がすための放熱板を備えたＮＭＲプローブであって、前記放熱板は、絶縁性の被膜で互いに絶縁された複数の金属線を前記ＮＭＲプローブの軸方向に揃えて板状に配列させて成ることを特徴としている。
【００２１】
また、前記放熱板は、前記磁場勾配コイルに接触していることを特徴としている。
【００２２】
また、前記放熱板は、前記ボビンに埋設されていることを特徴としている。
【００２３】
また、本発明にかかるＮＭＲ装置は、絶縁性の被膜で互いに絶縁された複数の金属線をＮＭＲプローブの軸方向に揃えて板状に配列させて成る放熱板を備えたＮＭＲプローブを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のＮＭＲプローブおよびＮＭＲ装置によれば、排熱が不十分なボビンに設けられたＦＧコイルの熱を外界に逃がすための放熱板を備え、該伝熱板は、絶縁性の被膜で互いに絶縁された複数の金属線を前記ＮＭＲプローブの軸方向に揃えて板状に配列させているので、渦電流を伴うことなく、ＮＭＲプローブ内のＦＧコイルの熱を安価に効率よく外界に逃がすことのできる
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２６】
まず、市販の絶縁皮膜付き自己融着線１４（加熱などにより互いに接着可能な線材）を用いて、図４のような細線を平面状に並べた冷却板１５を単層あるいは多層で制作する。これは、適当なボビンに絶縁皮膜付き自己融着線を巻き付けて融着し、ボビンの軸に沿って切開すれば良く、簡単に制作可能である。
【００２７】
これをＦＧコイルの表面に接着し、さらにヒートシンク１６（放熱フィン）に接続すれば、放熱効率は大幅に上昇する。図３の例では、前述のように、軸方向の熱伝導は、実質上ボビンの熱伝導率に支配されてしまうが、図５のように絶縁皮膜付き自己融着線１４で制作した冷却板１５をＦＧコイル９に接触させ、線材１４の向きをボビンの軸方向に合わせてボビン表面に巻き付ければ、たとえ細い線材であっても、比較上、きわめて高い熱伝導性が軸方向に確保可能である。
【００２８】
例えば、ボビンがエポキシ樹脂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）で内径がφ３０ｍｍ、厚みが１ｍｍとすれば、その１ｍｍで１Ｋの温度差を与える伝熱量は０．０２８Ｗ／Ｋとなる。一方、図４に示すような形状をした、φ１ｍｍ、幅１０ｍｍ（ボビンの周長の１／１０）の銅線の束（熱伝導率４００Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた場合、同様に１ｍｍで１Ｋの温度差を与える伝熱量は０．３１Ｗ／Ｋと約１１倍改善される。実際には、より太い線材、より広い幅の冷却板が使用可能であるため、冷却効果は数十倍に及ぶ。
【００２９】
なお、ヒートシンク１６の位置は、図５のようにボビンの下側でなく、ボビンの上側など別の場所でもよく、放熱板１５をプローブカバー１１に接触させて放熱フィンとしても良い。また、放熱板１５をヒートシンク１６に接続しなくても、周囲の空気への放熱面積の増加により、放熱板１５のない場合に比べ、冷却能は向上する。
【００３０】
なお、本案では、絶縁皮膜付き自己融着線１４の向きをボビンの軸方向に合わせてボビン表面に巻き付けているので、ボビンの周方向への電流が制限され、渦電流が発生しないことは言うまでもない。また、自己融着線はきわめて安価に購入できる。
【００３１】
本発明の効果は、特に極低温プローブにおいて顕著である。真空中に置かれた線材が発熱すると、放熱はきわめてむつかしく、温度は簡単に上昇してしまう。温度が上昇すれば、熱輻射によって放熱は可能となるが、この状態は、冷却すべき検出コイルなどの周囲の構造物の加熱につながり、不都合である。また、極低温では、一般に金属の電気抵抗が低下しているため、発熱は１／１０以下に低下できるのであるが、磁場勾配コイルの放熱による温度上昇は、この効果を低減させてしまう。しかし、本発明によれば、温度上昇に伴う電気抵抗の上昇を大幅に軽減可能であり、結果的に、より大きな電流による大きな勾配磁場を得ることが可能となる。
【実施例２】
【００３２】
図５の例では、放熱板１５がＦＧコイル９の外側に置かれていたが、これは、図６のように、放熱板１５がＦＧコイル９の線材とボビンとの間に置かれていても良い。
【実施例３】
【００３３】
別の例として、ボビン材料の内側に放熱板１５を配置しても良い。これは、一見困難なようにも思われるが、ベークライトやガラスエポキシのような樹脂材料は、プレプリグを積層して製造することが可能で、この積層の途中に冷却板を挟み込むことは容易である。
【００３４】
なお、被膜の施された線材は、銅線でもアルミ線でも熱伝導の良い金属であれば何でも良い。また、線材を並べて接着する場合には、自己融着線ではない線材を接着剤で接着しても良い。また、線材は、丸線でも平角線でも良い。また、ＦＧコイルは、Ｚ軸方向のコイルのみを例として上げたが、Ｘ、Ｙ方向のコイルについても全く同様のことが言える。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
ＮＭＲプローブとＮＭＲ装置に広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のＮＭＲ装置の検出部を示す図である。
【図２】従来のＮＭＲプローブを示す図である。
【図３】従来のボビンと磁場勾配コイルとの関係を示す図である。
【図４】本発明にかかる放熱板の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる放熱板のボビンへの一実装例を示す図である。
【図６】本発明にかかる放熱板のボビンへの別の実装例を示す図である。
【図７】本発明にかかる放熱板のボビンへの別の実装例を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：超伝導磁石、２：プローブ、３：室温ボア、４：シムボビン、５：室温シム、６：試料、７：検出コイル部、８：検出コイル、９：磁場勾配コイル、１０：同調回路部、１１：プローブカバー、１２：内ボビン、１３：外ボビン、１４：自己融着線、１５：放熱板（冷却板）、１６：ヒートシンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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